RU174220U1 - Устройство для отжига сегнетоэлектрика лазерным излучением с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел - Google Patents

Устройство для отжига сегнетоэлектрика лазерным излучением с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел Download PDF

Info

Publication number
RU174220U1
RU174220U1 RU2016146720U RU2016146720U RU174220U1 RU 174220 U1 RU174220 U1 RU 174220U1 RU 2016146720 U RU2016146720 U RU 2016146720U RU 2016146720 U RU2016146720 U RU 2016146720U RU 174220 U1 RU174220 U1 RU 174220U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
ferroelectric
polar
phase
local
Prior art date
Application number
RU2016146720U
Other languages
English (en)
Inventor
Андрей Сергеевич Елшин
Елена Дмитриевна Мишина
Анастасия Павловна Шестакова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет"
Priority to RU2016146720U priority Critical patent/RU174220U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU174220U1 publication Critical patent/RU174220U1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к области термообработки материалов и может быть использована в микро- и оптоэлектронике для создания электронных компонент. Полезная модель представляет собой устройство для локального лазерного отжига сегнетоэлектрических пленок, имеющих фазовый переход неполярная фаза - полярная фаза, состоящее из лазера, фокусирующего объектива и автоматизированной подвижки для крепления образца, особенностью которого является использование фемтосекундного импульсного излучения с длиной волны, попадающей в область прозрачности пленки и в область поглощения нижележащего подслоя для локального нагрева. Полезная модель обеспечивает возможность создания локальных микро- и наноструктур полярной (сегнетоэлектрической) фазы в неполярном окружении с размерами полярной фазы менее дифракционного предела.

Description

Полезная модель относится к области термообработки материалов, а также может быть использована в микро- и оптоэлектронике для создания электронных компонент. Фаза отжига обязательна для изготовления сегнетоэлектриков, так как именно в процессе отжига происходит кристаллизация перовскитной (сегнетоэлектрической) фазы. Обычно при изготовлении сегнетоэлектрических пленок производится изотермический отжиг в муфельной печи, который задействует весь объем пленки. Однако в настоящее время все более актуальными становятся методики локального отжига (локальной кристаллизации) для получения сегнетоэлектрических наноструктур.
Из уровня техники известен способ термообработки материалов без разрушения поверхности с использованием лазера [патент RU 2345148 С2, опубл. 27.01.2009]. Изобретение заключается в воздействии на обрабатываемый материал непрерывного лазерного излучения, сфокусированного в световое пятно в виде отрезка, перемещаемого по заданной траектории с постоянной или переменной скоростью. Такая обработка применяется как для металлов, так и для неметаллов, однако имеет существенный недостаток. Использование в технологии непрерывного лазерного излучения не позволяет получить прецизионные бездефектные микроструктуры.
Наиболее близкое техническое решение - отжиг диэлектрических пленок, обладающих переходом неполярная-полярная фаза [патент US 5310990 А, опубл. 10.05.1994]. Оно заключается в использовании непрерывного лазера, а также импульсного эксимерного наносекундного лазера. Недостатком известного технического решения является длина волны эксимерного лазера (351 нм), которая попадает в край области поглощения используемой пленки цирконата-титаната свинца (PZT), что затрудняет осуществление фазового перехода в объеме материала. Кроме этого, модовая структура пятна эксимерных лазеров не позволяет локализовать отжиг в субмикрометровой области.
Также близким к предлагаемому техническому решению является способ локального формирования сегнетоэлектрической пленки PZT [заявка на патент US 20040080991 А1, опубл. 29.04.2004]. В соответствии с предложенным способом, при воздействии лазерного излучения на аморфную оксидную пленку, на поверхности пленки образуются микрокристаллические зародыши. Кристаллизация оксида осуществляется воздействием на структуру импульсного эксимерного лазера (248 нм) в поглощающей области спектра с дальнейшим образованием микрокристаллических сегнетоэлектрических областей.
Для устранения недостатков метода может быть использован метод, предложенный в патенте [патент RU 2338284 С1, опубл. 10.11.2008] - для сегнетоэлектрических пленок нанесение металлического подслоя, использующегося в качестве поглощающего слоя для излучения. Однако в патенте указано устройство, использующее в качестве активного слоя всю поверхность пленки PZT.
В вышеуказанных патентах в общем случае размер формируемых областей ограничен дифракционным пределом. Для преодоления дифракционного предела используется метод пространственного формирования излучения с помощью фазовой пластинки [патент US 9285593 В1, опубл. 15.03.2016]. В предложенном методе проекция излучения имеет кольцеобразную форму, в центре кольца электромагнитное поле отсутствует. При использовании кольцеобразной формы взаимодействие излучения с поверхностью образца происходит только в области кольца. Незасвеченная область в центре кольца имеет размеры меньше дифракционного предела.
Технический результат предлагаемой модели заключается в создании устройства для получения локальных микро- и наноструктур полярной (сегнетоэлектрической) фазы в неполярном окружении. Фемтосекундное лазерное излучение с высокой плотностью мощности воздействует на аморфную (с пирохлорными включениями) пленку, в результате чего в области воздействия лазерного пятна формируется (кристаллизуется) локальная область со структурой перовскита. Минимальный размер полученных микроструктур обычно определяется диаметром лазерного пятна и длины волны излучения, однако в зависимости от режимов получения могут создаваться элементы с меньшими размерами, чем длина волны используемого излучения.
Технический результат достигается устройством для локального лазерного отжига сегнетоэлектрических пленок, имеющих фазовый переход неполярная фаза - полярная фаза, состоящим из лазера, фокусирующего объектива и трехкоординатной платформы для позиционирования образца, при этом особенностью устройства является использование фемтосекундного импульсного излучения с длиной волны, попадающей в область прозрачности пленки и в область поглощения нижележащего подслоя для локального нагрева.
В предпочтительном варианте в устройстве используется фазовращающая пластина для получения кольцеобразной аксиально-симметричной формы лазерного луча.
В еще одном предпочтительном варианте особенностью устройства также является перемещение лазерного луча относительно пленки во время отжига, в результате чего формируются протяженные микроструктуры заданных форм.
Техническая задача предлагаемой полезной модели состоит в создании устройства для отжига локальных сегнетоэлектрических областей на поверхности пленок с разрешением, превышающим дифракционный предел. Поставленная цель достигается путем проведения технологического процесса в атмосферной среде, в результате которой на поверхности пленки PZT образуются заданные сегнетоэлектрические структуры. Обычно использование фемтосекундного лазерного излучения предполагает гауссово распределение его интенсивности. Для перехода неполярная фаза - полярная фаза, требуется некоторая минимальная энергия, ниже которой фазового перехода не происходит. Благодаря пороговому характеру такого процесса и гауссовому профилю луча, полярная фаза образуется подбором пиковой мощности лазерного излучения в соответствии с пороговым значением энергии, необходимой для фазового перехода. В отличие от такой схемы предлагается использовать кольцеобразную форму лазерного луча. Применяя такую форму луча и строго определенную (высокую) мощность излучения в центре пучка появляется сегнетоэлектрическая фаза с разрешением выше дифракционного предела. В этом случае, в области кольцеобразного воздействия условия для появления сегнетоэлектрической фазы будут неоптимальными (перегрев и абляция), а в центре кольца оптимальными (несмотря на отсутствие прямого воздействия излучения в центре кольца, температура в этой области будет обуславливаться теплопередачей от окружающей кольцеобразной области).
Кольцеообразная форма пятна достигается пропусканием излучения через спиральную фазовую пластину. Структура фазовой пластины состоит из спиральных ступенек, обеспечивающих изменение фазы от 0 до 2 pi. Входное излучение представляет собой коллимированный пучок фундаментальной моды ТЕМ00, который преобразуется а аксиально-симметричную моду ТЕМ01. В результате форма луча при нормальном проецировании на экран представляет с собой кольцо с малым отверстием в центре.
Используемый для отжига пленки на платинизированной подложке одномодовый фемтосекундный лазер с длиной волны 800 нм, попадает в область прозрачности пленки и в то же время в область поглощения платины. Сфокусированное лазерное излучение с плотностью мощности, достаточной для отжига структуры, первоначально воздействует на платиновый подслой. Нагрев слоя PZT происходит от слоя платины к поверхности, что позволяет локализовать область кристаллизации не только на поверхности пленки, но и в объеме. В результате воздействия пленка локально нагревается выше температуры фазового перехода и происходит кристаллизация. Предельная необходимая плотность мощности импульсного лазерного излучения рассчитывается с помощью решения обратной задачи теплопроводности. Описание полезной модели поясняется фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 показаны распределения интенсивностей пучка фемтосекундного лазера, где 1 - луч с гауссовым распределением, применяемый для «стандартного» лазерного отжига, 2 - кольцеобразная форма луча. При выходе из фазовращательной пластинки распределение интенсивности луча описывается специальной функцией Лагерра-Гаусса.
На фиг. 2 изображена схема стенда для локального лазерного отжига. Установка жестко фиксируется на оптическом столе с использованием в качестве источника излучения фемтосекундного титан-сапфирового лазера 3 с длиной волны 800 нм, длительностью импульса 100 фс и частотой повторения импульсов 80 МГц. Лазерный луч на выходе из лазера имеет гауссову форму распределения интенсивности и заданную среднюю мощность, составляющую 20 мВт. Устройство формирования кольцеобразной формы луча состоит из линз 4, 6, 7, фокусное расстояние каждой из которых составляет 5 см, и фазовращательной пластины 5. Диаметр луча увеличивается линзой 4, после прохождения фазовой пластины излучение коллимируется линзами 6 и 7.
Фокусирующая система состоит из закрепленного на держателе объектива 8. Трехкоординатная платформа 9 предназначена для точного позиционирования регионов исследуемого образца. За счет жестко закрепленной фокусирующей системы и фиксированной подвижки обеспечивается нормальное падение сфокусированного луча к плоскости образца.

Claims (3)

1. Устройство для локального лазерного отжига сегнетоэлектрических пленок, имеющих фазовый переход неполярная фаза - полярная фаза, состоящее из лазера, фокусирующего объектива и трехкоординатной платформы для позиционирования образца, особенностью которого является использование фемтосекундного импульсного излучения с длиной волны, попадающей в область прозрачности пленки и в область поглощения нижележащего подслоя для локального нагрева.
2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что используется фазовращающая пластина для получения кольцеобразной аксиально-симметричной формы лазерного луча.
3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что его особенностью является перемещение лазерного луча относительно пленки во время отжига, в результате чего формируются протяженные микроструктуры заданных форм.
RU2016146720U 2016-11-29 2016-11-29 Устройство для отжига сегнетоэлектрика лазерным излучением с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел RU174220U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016146720U RU174220U1 (ru) 2016-11-29 2016-11-29 Устройство для отжига сегнетоэлектрика лазерным излучением с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016146720U RU174220U1 (ru) 2016-11-29 2016-11-29 Устройство для отжига сегнетоэлектрика лазерным излучением с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU174220U1 true RU174220U1 (ru) 2017-10-09

Family

ID=60041076

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016146720U RU174220U1 (ru) 2016-11-29 2016-11-29 Устройство для отжига сегнетоэлектрика лазерным излучением с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU174220U1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2071150C1 (ru) * 1992-05-12 1996-12-27 Институт физики полупроводников АН Украины Способ создания сверхпроводящих областей в материале на основе металлоксидных соединений
RU2306631C2 (ru) * 2004-11-30 2007-09-20 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" (НИФХИМ им. Л.Я. Карпова) Способ импульсно-лазерного получения тонких пленок материалов с высокой диэлектрической проницаемостью
US9285593B1 (en) * 2013-12-20 2016-03-15 AdlOptica Optical Systems GmbH Method and apparatus for shaping focused laser beams

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2071150C1 (ru) * 1992-05-12 1996-12-27 Институт физики полупроводников АН Украины Способ создания сверхпроводящих областей в материале на основе металлоксидных соединений
RU2306631C2 (ru) * 2004-11-30 2007-09-20 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" (НИФХИМ им. Л.Я. Карпова) Способ импульсно-лазерного получения тонких пленок материалов с высокой диэлектрической проницаемостью
US9285593B1 (en) * 2013-12-20 2016-03-15 AdlOptica Optical Systems GmbH Method and apparatus for shaping focused laser beams

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lei et al. Ultrafast laser applications in manufacturing processes: A state-of-the-art review
Albu et al. Periodical structures induced by femtosecond laser on metals in air and liquid environments
Breitling et al. Fundamental aspects in machining of metals with short and ultrashort laser pulses
CN106457467B (zh) 用于将飞秒或皮秒激光束掩模投射到衬底表面上的设备
Serafetinides et al. Ultra-short pulsed laser ablation of polymers
US20110121206A1 (en) Femtosecond laser-induced formation of submicrometer spikes on a semiconductor substrate
JP4465429B2 (ja) レーザ加工方法
TWI579901B (zh) 用於低溫多晶矽結晶的短脈衝光纖雷射
Luther-Davies et al. Picosecond high-repetition-rate pulsed laser ablation of dielectrics: the effect of energy accumulation between pulses
Zayarny et al. Nanoscale boiling during single-shot femtosecond laser ablation of thin gold films
US20150158116A1 (en) Method and apparatus for internally marking a substrate having a rough surface
Jeong et al. Drilling of sub-100 μm hourglass-shaped holes in diamond with femtosecond laser pulses
Pavelyev et al. Fabrication of high-effective silicon diffractive optics for the terahertz range by femtosecond laser ablation
WO2019029535A1 (zh) 一种利用脉冲激光制备非晶合金的装置、方法及应用
Li et al. Comparison between single shot micromachining of silicon with nanosecond pulse shaped IR fiber laser and DPSS UV laser
RU174220U1 (ru) Устройство для отжига сегнетоэлектрика лазерным излучением с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел
Chkalov et al. Thin film elements design: software and possibilities of femtosecond laser techniques
WO2023052549A2 (en) Cutting a substrate or preparing a substrate for cleaving
CN110385530A (zh) 一种准分子激光刻蚀氟化钙晶体形成周期性条纹的方法
Julian et al. Reduction in heat affected zone and recast layer in laser materials processing using a photon sieve lens
Moon et al. Heat transfer and phase transformations in laser annealing of thin Si films
RU2634338C1 (ru) Способ и устройство для лазерной резки материалов
Lang et al. High-throughput direct laser interference patterning: new configurations and applications
Garasz et al. The Effect of Process Parameters in Femtosecond Laser Micromachining.
Voisiat et al. How to improve throughput in direct laser interference patterning: Top-hat beam profile and burst mode